馮忠居，陳慧蕓，袁楓斌,，李孝雄,3，王富春，李 哲， 孫平寬，吳敬武，王蒙蒙，馮 凱

1. 長安大學(xué) 公路學(xué)院 陜西 西安 710064

2. 中國公路工程咨詢集團(tuán)有限公司 中咨華科交通建設(shè)技術(shù)有限公司 北京 100089

3. 滁州學(xué)院 地理信息與旅游學(xué)院，安徽 滁州 239000

特稿

海洋環(huán)境鋼護(hù)筒的應(yīng)用現(xiàn)狀分析

Analysis on Application of Steel Casing in Marine Environment

馮忠居1，陳慧蕓1，袁楓斌1,2，李孝雄1,3，王富春1，李 哲1， 孫平寬2，吳敬武2，王蒙蒙1，馮 凱1

1. 長安大學(xué) 公路學(xué)院 陜西 西安 710064

2. 中國公路工程咨詢集團(tuán)有限公司 中咨華科交通建設(shè)技術(shù)有限公司 北京 100089

3. 滁州學(xué)院 地理信息與旅游學(xué)院，安徽 滁州 239000

0 引言

鋼護(hù)筒在海洋環(huán)境下的工程建設(shè)中是不可缺少的構(gòu)件之一，它在使用過程中受海況條件（如水深、臺風(fēng)、潮差、波浪、海流及腐蝕等）的影響，使工程進(jìn)度及工后鋼護(hù)筒的使用壽命受到制約。

鋼護(hù)筒的使用已有近100年的歷史。德國人曼尼斯曼兄弟于1885年首先發(fā)明二輥斜軋穿孔機(jī)，1903年經(jīng)瑞士人施蒂費(fèi)爾（R.C.Stiefel）改進(jìn)開始形成近代鋼管工業(yè)，鋼護(hù)筒開始大面積投入工程建設(shè)[1]。20世紀(jì)50年代，在修建武漢長江大橋時(shí)，世界范圍內(nèi)首次采用了大型管柱基礎(chǔ)代替氣壓沉箱基礎(chǔ)施工方法。目前，隨著鋼護(hù)筒制作技術(shù)與施工工藝發(fā)展，鋼護(hù)筒直徑不斷增大，港珠澳大橋采用直徑達(dá)8.0 m的鋼護(hù)筒，刷新了平潭跨海大橋采用的重達(dá)197 t、直徑為4.9 m的大型鋼護(hù)筒的國內(nèi)紀(jì)錄，鋼護(hù)筒制作技術(shù)與施工工藝越發(fā)成熟。

鋼護(hù)筒在海洋工程中應(yīng)用極為廣泛。高樁碼頭水上沖孔灌注樁施工過程中，利用鋼護(hù)筒進(jìn)行水上施工平臺搭設(shè)[2]；跨海大橋建設(shè)中，采用鋼護(hù)筒進(jìn)行棧橋搭設(shè)及樁基礎(chǔ)施工；鋼護(hù)筒亦可作為跨海大橋施工中鋼棧橋的防撞措施；作為海洋環(huán)境鉆孔灌注樁附加防腐措施，鋼護(hù)筒既有利于樁基上部混凝土形成良好的保護(hù)層厚度，又能給部分混凝土穿上一層防護(hù)服，保證樁基礎(chǔ)在設(shè)計(jì)年限內(nèi)正常運(yùn)營；另外鋼護(hù)筒在施工完成后不予拔出，與樁基礎(chǔ)形成鋼管混凝土復(fù)合樁，提高了樁基礎(chǔ)承載能力；人工挖孔施工工藝中采用鋼護(hù)筒護(hù)壁，在濱海相基巖埋藏不深的淺海區(qū)基樁施工中是切實(shí)可行的；設(shè)置永久性鋼護(hù)筒，采用鋼護(hù)筒與承臺有效連接的構(gòu)造措施，有效解決了超長聯(lián)大跨連續(xù)梁橋樁基抗震的技術(shù)難題；海洋石油鉆井平臺長期處于惡劣的海洋環(huán)境中，采用鋼護(hù)筒建設(shè)鉆井平臺保證其安全作業(yè)；地鐵施工過程中，采用鋼護(hù)筒明洞接收解決了盾構(gòu)施工的安全性問題[3-9]。

綜上所述，鋼護(hù)筒在跨水域橋梁中的應(yīng)用極其頻繁，本文基于中國現(xiàn)有跨海大橋鋼護(hù)筒應(yīng)用情況，著重分析海洋環(huán)境橋梁工程中鋼護(hù)筒設(shè)計(jì)、施工及防腐技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀。

1 海洋環(huán)境鋼護(hù)筒主要設(shè)計(jì)指標(biāo)

在水域橋梁樁基礎(chǔ)施工中，由于受橋位處不利水文地質(zhì)條件的影響，需將鋼護(hù)筒打入河床足夠深度。鋼管直徑、壁厚以及埋深等合理的設(shè)計(jì)參數(shù)直接決定了樁基礎(chǔ)的質(zhì)量和承載能力，同時(shí)也是保證樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)、合理的前提條件。

1.1 鋼護(hù)筒長度

鋼護(hù)筒總體結(jié)構(gòu)及埋設(shè)情況如圖1所示。設(shè)鋼護(hù)筒頂端至海底距離為h，埋入海底長度為l，總長為L；潮差為h1，鋼護(hù)筒頂端高出最高潮水線的距離為h2，最大水深為h3，最低潮水線與海底的距離為h4（潮水線在海底以下取正值，以上取負(fù)值）。

海洋環(huán)境橋梁樁基施工中，鋼護(hù)筒是維持孔內(nèi)泥漿壓力的重要設(shè)施。為使鉆進(jìn)作業(yè)可持續(xù)進(jìn)行，孔內(nèi)泥漿壓力從小到大依次為：地層壓力、泥漿壓力、地層破裂壓力。

如果地層壓力大于孔內(nèi)泥漿壓力，孔壁將開裂并產(chǎn)生塌孔；當(dāng)泥漿壓力大于地層破裂壓力時(shí)，泥漿壓力將使地層破裂造成泥漿流失。

1.1.1 h2的確定

由于潮差的影響，地層壓力的波動范圍為

式中：Pb為地層壓力；γh為海水密度。

確定泥漿特性并且設(shè)置好鋼護(hù)筒之后，泥漿壓力成為一個(gè)不受潮差影響的定值。當(dāng)海水處于最高潮時(shí)，為了滿足泥漿壓力大于地層壓力的條件，需要增大h2，泥漿壓力將隨h2的增大而增大。若h2太大，落潮之后泥漿壓力將壓裂地層而產(chǎn)生泥漿流失，此時(shí)鋼護(hù)筒所承受的海況荷載會增加，費(fèi)用也會隨著施工平臺高度的增大而增加。因此，h2應(yīng)選取一個(gè)最佳值。

考慮最高潮的影響，h2可按下式確定。

式中：a為平臺甲板厚度；b為泥漿槽高度；c為安全儲備高度。

1.1.2 l的確定

鋼護(hù)筒的入土深度不僅要使鋼護(hù)筒自身保持穩(wěn)定，還要保證滲透性能平穩(wěn)，不允許出現(xiàn)管涌現(xiàn)象。當(dāng)鋼護(hù)筒入土深度不足時(shí)，由于護(hù)筒內(nèi)外泥漿水頭差h1+h2的存在，導(dǎo)致鋼護(hù)筒內(nèi)的地下水會繞過護(hù)筒底部向海里滲透。當(dāng)滲流力足以克服土的有效重度時(shí)，土顆粒就會隨水流向上流走而導(dǎo)致鋼護(hù)筒失穩(wěn)。驗(yàn)算抗?jié)B流穩(wěn)定和管涌的基本原則是，使護(hù)筒底部土體的有效壓力大于地下水的滲流力。海底滲透與管涌如圖2所示。

圖2 海底滲透與管涌示意

驗(yàn)算公式為

式中：l為鋼護(hù)筒插入海底的深度；h1＋h2為護(hù)筒內(nèi)外水頭差（即護(hù)筒頂部與最低潮水線的距離）；γ為土的有效重度；γw為地下水的重度；K為管涌安全系數(shù)，應(yīng)大于1.2。

若鋼護(hù)筒埋入海底的深度滿足上述條件，那么鋼護(hù)筒是安全的。

1.1.3 h1的確定

根據(jù)《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F50—2011），h1取施工區(qū)域50年來所遇到的最大潮差。

1.1.4 L的確定

鋼護(hù)筒總廠L按下式計(jì)算。

1.2 鋼護(hù)筒內(nèi)徑

鋼管內(nèi)徑的確定需要綜合考慮樁基礎(chǔ)的成孔工藝、樁基礎(chǔ)所處位置的工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件等因素，如使用旋挖鉆時(shí)鋼管內(nèi)徑應(yīng)大于設(shè)計(jì)樁徑20 cm，使用沖擊鉆時(shí)鋼管內(nèi)徑應(yīng)大于設(shè)計(jì)樁徑40 cm。具體應(yīng)滿足

式中：D1為鋼護(hù)筒內(nèi)徑（m）；D為設(shè)計(jì)樁徑（m）；H為鋼護(hù)筒長度（m）； i為護(hù)筒設(shè)置傾斜率(%)；d2為護(hù)筒平面位置允許誤差(m)。

1.3 鋼護(hù)筒壁厚

鋼管壁厚應(yīng)包括有效厚度和預(yù)留腐蝕厚度，其中有效厚度為參與樁基礎(chǔ)受力所需要的厚度，預(yù)留腐蝕厚度為樁基礎(chǔ)使用年限內(nèi)管壁腐蝕的厚度。鋼護(hù)筒壁厚計(jì)算公式為

鋼管壁厚的確定需要綜合考慮鋼管周圍巖土體產(chǎn)生的圍壓、鉆孔樁徑、埋深、埋設(shè)方法、鋼管下沉過程中受力情況以及周圍環(huán)境的腐蝕情況、防腐措施等因素的影響，通過計(jì)算確定鋼管壁厚。當(dāng)鋼護(hù)筒長度大于10 m時(shí)，鋼護(hù)筒的徑厚比應(yīng)不大于20。

2 海洋環(huán)境鋼護(hù)筒施工技術(shù)

海洋環(huán)境風(fēng)高浪急，水文條件復(fù)雜，時(shí)常會受到臺風(fēng)、潮汐等自然現(xiàn)象的影響，鋼護(hù)筒在運(yùn)輸、定位及下沉過程中可能遭受嚴(yán)重威脅。隨著跨海大橋建設(shè)的不斷發(fā)展，樁長、樁徑不斷增大，鋼護(hù)筒的直徑、長度也不斷增長，對鋼護(hù)筒的制作、運(yùn)輸、定位及下沉提出了更高的要求，且鋼護(hù)筒在定位及下沉過程中易產(chǎn)生定位不準(zhǔn)確、無法下沉至設(shè)計(jì)標(biāo)高、鋼護(hù)筒變形等施工病害，對施工質(zhì)量及工期產(chǎn)生極大影響。因此，海洋環(huán)境中鋼護(hù)筒施工需選取適宜的下沉機(jī)械、施工工藝及相應(yīng)的病害防治措施。

2.1 鋼護(hù)筒下沉機(jī)械的選擇

鋼護(hù)筒下沉的本質(zhì)是鋼護(hù)筒、振動錘及土體相互作用的過程。鋼護(hù)筒在下沉過程中需克服土體對鋼護(hù)筒的摩阻力，以下沉至設(shè)計(jì)標(biāo)高。因此，在選取振動錘時(shí)需綜合考慮鋼護(hù)筒的幾何尺寸、土體物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)及鋼護(hù)筒需下層的深度。

2.1.1 下沉阻力的計(jì)算

鋼護(hù)筒在振動錘激振作用下下沉，但其所受側(cè)摩阻力為土體的動摩阻力值，國內(nèi)對于動摩阻力的確定是依照樁側(cè)靜摩阻力進(jìn)行推算的。當(dāng)振動錘加速度達(dá)到10倍重力加速度后，動摩阻力為定值，下沉阻力由鋼護(hù)筒與土體的接觸面積及土體動摩阻力決定。鋼護(hù)筒下沉阻力公式為

式中：Tv為土體對鋼護(hù)筒總的動摩阻力；為鋼護(hù)筒段的單位長度動摩阻力，為動摩阻力折減系數(shù)，為樁側(cè)靜摩阻力；S為鋼護(hù)筒內(nèi)、外壁周長之和；Hi為i段的鋼護(hù)筒下沉深度。

式中：P為振動錘激振力；G為護(hù)筒和振動錘自重。

2.1.2 振動錘的選取

選取振動錘時(shí)，需綜合考慮振幅、激振力、頻率及功率等參數(shù)，中國部分跨水域大橋下沉鋼護(hù)筒振動錘選取見表1。

表1 下沉鋼護(hù)筒振動錘選取

由表1可見，中國橋梁鋼護(hù)筒下沉選用的振動錘主要是ICEV360振動錘（圖3），其中海南鋪前大橋鋼護(hù)筒直徑、壁厚最大，選取的是2臺YZ300高頻液壓振動錘（圖4）聯(lián)動激振下沉鋼護(hù)筒。橋梁鋼護(hù)筒設(shè)置主要是為樁基礎(chǔ)施工提供安全、有利的施工環(huán)境，因此鋼護(hù)筒下沉僅穿越柔軟地層，將鋼護(hù)筒底端抵于較硬土層。

圖3 ICEV360振動錘

圖4 YZ300振動錘

2.2 鋼護(hù)筒定位

海洋環(huán)境復(fù)雜，給鋼護(hù)筒下沉帶來了一定困難。因此，要保證鋼護(hù)筒下沉順利且平面位置及垂直度等指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求，必須選取適宜下沉?xí)r機(jī)及定位方法。應(yīng)用于實(shí)體工程中的鋼護(hù)筒定位方法見表2，施工現(xiàn)場見圖5。

表2 鋼護(hù)筒定位方法

圖5 鋼護(hù)筒定位下沉

2.3 鋼護(hù)筒下沉中的問題與防治措施

（一）在新知識點(diǎn)教授過程中系統(tǒng)講授數(shù)形結(jié)合思想。學(xué)生在學(xué)習(xí)新的數(shù)學(xué)知識時(shí)，首先要牢固深入的掌握數(shù)學(xué)概念，才能在概念的指導(dǎo)下進(jìn)行解題。然而數(shù)學(xué)概念是從復(fù)雜的數(shù)學(xué)現(xiàn)象中高度抽象得出的，比較難以理解和記憶。因此數(shù)學(xué)教師在對概念的抽象推導(dǎo)過程和例題的講解中，要充分的介紹數(shù)形結(jié)合思想。

由前期設(shè)計(jì)不當(dāng)、自然環(huán)境復(fù)雜等因素導(dǎo)致鋼護(hù)筒下沉過程中出現(xiàn)偏位、傾斜、筒底漏漿、鋼護(hù)筒底部以下土層塌孔、變形（圖6）及下沉困難等問題，需及時(shí)采取防治措施。常見下沉中的病害及防治措施見表3。

表3 鋼護(hù)筒下沉中的問題及防治措施

圖6 鋼護(hù)筒變形

3 海洋環(huán)境鋼護(hù)筒防腐技術(shù)

鋼護(hù)筒作為海洋環(huán)境下橋梁樁基礎(chǔ)附加防腐措施得到廣泛應(yīng)用，但在海洋環(huán)境下橋梁樁基礎(chǔ)施工過程中，鋼護(hù)筒的使用依舊面臨極其嚴(yán)峻的海水腐蝕問題，如圖7～9所示。

圖7 鋪前大橋鋼護(hù)筒腐蝕

圖8 瑯岐閩江大橋鋼護(hù)筒腐蝕

圖9 平潭跨海大橋鋼護(hù)筒腐蝕

3.1 海洋環(huán)境鋼護(hù)筒腐蝕機(jī)理

鋼護(hù)筒的腐蝕與海水的化學(xué)成分、海水特性及浪高密切相關(guān)。位于海洋環(huán)境中的鋼護(hù)筒，由于海洋環(huán)境從上到下的差異較大，可將其劃分為5個(gè)區(qū)帶：大氣區(qū)、飛濺區(qū)、潮差區(qū)、全浸區(qū)和海泥區(qū)，如圖10所示。而每個(gè)區(qū)帶溫度、陽光、水流、鹽度、溶解氧量等不同，直接導(dǎo)致位于不同區(qū)帶的鋼護(hù)筒出現(xiàn)差異較大的腐蝕情況，各個(gè)腐蝕區(qū)的腐蝕速率有很大的差別。

圖10 海洋環(huán)境鋼護(hù)筒區(qū)帶劃分

由圖10可以看出，處于平均高潮線以上的浪花飛濺區(qū)、潮差區(qū)及平均低潮線以下0.5～1.0 m處的鋼護(hù)筒所受腐蝕最為嚴(yán)重，這是由于這些區(qū)域海水溶解氧充分，流速較大，水溫較高，海洋微生物繁殖較快。位于全浸區(qū)的鋼護(hù)筒腐蝕速率明顯低于前者，呈現(xiàn)出腐蝕抑制現(xiàn)象。

3.2 海洋環(huán)境鋼護(hù)筒防腐措施及指標(biāo)

海水腐蝕導(dǎo)致鋼護(hù)筒不能更好地服務(wù)于海洋橋梁工程的問題極為嚴(yán)峻，因此針對海洋環(huán)境鋼護(hù)筒腐蝕防治是十分必要的。目前，海洋環(huán)境下鋼護(hù)筒的防腐主要從材料的選擇、涂層改性、防腐涂料及電化學(xué)保護(hù)等方面進(jìn)行。

（1）材料的選擇。鋼護(hù)筒本身材料的耐腐蝕性對其使用壽命影響較大。在海洋橋梁工程中采用耐腐蝕性較好的材料進(jìn)行鋼護(hù)筒制作可以取得更好的防腐效果。

（2）涂層改性。隨著表面改性技術(shù)的廣泛應(yīng)用，可在海洋環(huán)境鋼護(hù)筒表面生成耐腐蝕性較好的表面層，將鋼護(hù)筒與海水中的腐蝕介質(zhì)隔離開，進(jìn)而達(dá)到防腐的目的，比較常見的如鍍鋅、鍍鋁等。

（3）防腐涂料及電化學(xué)保護(hù)。防腐涂料的主要作用是阻止海水中的腐蝕介質(zhì)與鋼護(hù)筒直接接觸，發(fā)生化學(xué)或電化學(xué)腐蝕。但是防腐涂料在短期內(nèi)防腐效果較好，隨著時(shí)間的增加，表層涂料（環(huán)氧樹脂、環(huán)氧煤瀝青底漆、環(huán)氧煤瀝青面漆、環(huán)氧瀝青防銹漆、厚漿型鋁粉環(huán)氧瀝青防銹漆、厚漿型環(huán)氧瀝青防銹漆、環(huán)氧煤瀝青管道專用漆、瀝青清漆、耐高溫防腐涂料ZS（1 800 ℃）、無機(jī)防腐涂料等）的防腐效果逐漸減弱，因此，海洋橋梁工程中鋼護(hù)筒的長期防腐最好采用防腐涂料與電化學(xué)保護(hù)相結(jié)合的方法，如圖11、12所示，防腐體系技術(shù)指標(biāo)（以環(huán)氧樹脂為例）見表4。

圖11 防腐涂層及電化學(xué)保護(hù)

圖12 鋼護(hù)筒防腐涂層

表4 海洋環(huán)境鋼護(hù)筒防腐體系技術(shù)指標(biāo)

4 結(jié)語

（1）設(shè)計(jì)鋼護(hù)筒長度時(shí)應(yīng)充分考慮管涌、海浪等因素。設(shè)計(jì)鋼護(hù)筒壁厚時(shí)，應(yīng)保證鋼護(hù)筒具有足夠的剛度和一定的腐蝕厚度。在滿足設(shè)計(jì)久荷載要求的前提下，應(yīng)盡量減短鋼護(hù)筒長度，適當(dāng)增加壁厚，確保必要的剛度，提高材質(zhì)，提高加工精度。

（2）鋼護(hù)筒下沉施工中振動錘需提供足夠動力以保證其下沉至設(shè)計(jì)標(biāo)高，要避免機(jī)械選取過于保守；在鋼護(hù)筒下沉過程中遇到問題時(shí)，應(yīng)結(jié)合工程的經(jīng)濟(jì)性和工程進(jìn)度進(jìn)行處理，在備選多種解決方案后采用最優(yōu)的解決方案。

（3）位于海洋環(huán)境中的鋼護(hù)筒，可劃分為5個(gè)區(qū)帶：大氣區(qū)、飛濺區(qū)、潮差區(qū)、全浸區(qū)和海泥區(qū)。其中位于飛濺區(qū)、潮差區(qū)及平均低潮線以下0.5～1.0 m處的鋼護(hù)筒發(fā)生腐蝕最為嚴(yán)重，而位于全浸區(qū)鋼護(hù)筒的腐蝕速率明顯較低，呈現(xiàn)出腐蝕抑制現(xiàn)象。

（4）海洋環(huán)境鋼護(hù)筒防腐主要分為材料選擇、涂層改性、采用防腐涂料及電化學(xué)保護(hù)3個(gè)方面，為保證海洋環(huán)境鋼護(hù)筒的耐久性，可采用耐腐蝕性較好的材料進(jìn)行鋼護(hù)筒制作，同時(shí)在鋼護(hù)筒表面使用環(huán)氧樹脂等防腐涂料（厚度大于400 μm）與電化學(xué)保護(hù)聯(lián)合的方法，從而取得良好的防腐效果。

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海南省交通運(yùn)輸廳科技計(jì)劃項(xiàng)目（HNZXY2015-045R）